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-发酵工程复习题-第 17 页发酵工程复习题第一章 绪论发酵工程：利用微生物特定性状和功能，通过现代化工程技术生产有用物质或直接应用于工业化生产的技术体系，是将传统发酵于现代的DNA重组、细胞融合、分子修饰和改造等新技术集合并发展起来的发酵技术。二 简答题1. 简述发酵工业的特点2. 简述发酵的一般工艺流程（菌种制备、培养基的制备、 灭菌、 接种、 控制发酵条件、 产物的提取与精制、 回收处理三废物质)。3上游技术：优良种株的选育和保藏（包括菌种筛选、改造，菌种代谢路径改造等）。基因工程和细胞工程（上游生物技术）中游技术：发酵过程控制，主要包括发酵条件的调控，无菌环境的控制，过程分析和控制等 下游技术：分离和纯化产品。包括固液分离技术、细胞破壁技术、产物纯化技术，以及产品检验和包装技术等 4发酵工程的发展1)1900年前，自然发酵阶段。2)1900-1940年，纯培养技术的建立第一转折点3)1940年后，深层液体通气搅拌纯种培养第二转折点4)代谢控制发酵工程技术的建立第三转折点5)开拓发酵原料,发展发酵放大技术6)采用基因工程菌生产新产物5发酵工业的研究范畴：发酵食品，微生物菌体，酶制剂，微生物特殊机能利用，代谢产物，生物转化。6工业发酵的类型对氧的需求：需氧发酵，厌氧发酵，兼性厌氧发酵培养基物理性状：液体发酵，固体发酵（浅盘固体发酵和深层固体发酵）发酵的工艺流程：分批发酵，连续发酵，补料分批连续发酵第二章 发酵工业菌种 要求一 名词解释 菌落，芽孢，荚膜，鞭毛，富集培养，比生长速率，连续培养，诱变育种，菌种退化，菌种的复壮。二 简答题 1. 简述酵母菌的形态结构及繁殖方式；2. 菌种分离筛选步骤。一 名词解释菌落芽孢荚膜鞭毛富集培养比生长速率：单位菌体在单位时间内生长所增加的菌体量。连续培养诱变育种菌种退化菌种的复壮：在菌种的生产性能未衰退前，有意识的进行纯种的分离和性能的测定，以期菌种的性能逐步提高；方法：1、纯种分离；2、在宿主体内生长进行复壮；3、淘汰衰退的个体。营养菌丝： 生长于培养基内，具有吸收营养功能的放线菌或真菌气生菌丝：放线菌或真菌的营养菌丝长到一定程度长出培养基，向空气中伸展。孢子丝（繁殖菌丝）：放线菌或真菌气生菌丝发育到一定程度，上端分化成产生孢子的菌丝。野生型菌株：直接从自然界的样品中分离得到的具有一定生产性能的菌株.二 简答题1. 简述酵母菌的形态结构及繁殖方式2.菌种的分离和筛选一般步骤答：菌种的分离和筛选一般步骤分为 采样、富集、分离、目的菌的筛选四个步骤。3.发酵工业的主题微生物的各自特点（细菌，放线菌，霉菌，酵母菌）答：发酵工程所利用的微生物主要是细菌、放线菌，酵母菌和霉菌，其共同特点：(1)对周围环境的温度、压强、渗透压、酸碱度等条件有极大的适应能力；(2)有极强的消化能力 ；(3)有极强的繁殖能力 。4.发酵工业对菌种的要求1、在廉价原料制成培养基上生长，目的产物产量高，易回收2、生长速度快，发酵期短3、培养条件易控制4、抗噬菌体和杂菌污染能力强5、菌种质量稳定，不易变异退化6、对放大设备的适应性强7、菌种不是病原菌，无有害的生物活性物质和毒素产生5.富集培养概念及方法答：概念 使混合微生物群体中某特定微生物比例激增的培养方法。方法：一可用促进某特定微生物生长繁殖的选择性培养基或培养条件；二可用抑制其他微生物生长繁殖的选择性培养基或培养条件。 用于增殖好氧性自生固氮菌的Ashby无氮培养基；增殖土壤真菌用的Martin培养基等。其三可用连续培养法，在一定稀释率下，使比生长速率小的细胞溢出培养器，而比生长速率大的细胞留在培养器中。6诱变育种的概念、优点及基本环节答：概念：诱变育种是指用物理、化学因素诱导植物的遗传特性发生变异，再从变异群体中选择符合人们某种要求的单株，进而培育成新的品种或种质的育种方法。诱变剂有两大类：物理诱变剂和化学诱变剂。常用的物理诱变剂有紫外线、x射线、射线(如Co60等)、等离子、快中子、射线、射线、超声波等。常用的化学诱变剂有碱基类似物、烷化剂、羟胺、吖定类化合物等。优点：提高代谢产物的产量，改进产品品质、 扩大品种和简化生产工艺； 简单易行、工作进度快、收效显著基本环节：出发菌株 诱变处理 筛选优良性状菌株7.防止菌种退化的措施答：1、控制传代次数：避免不必要的移种和传代，将必要的传代降低到最低限度。2、经常纯化3、创造良好的培养条件4、利用单细胞移植传代5、采用有效的菌种保藏方法8.发酵工业菌种保藏原理：根据微生物的生理生化特点，创造条件，使其处于休眠态方法：斜面低温保藏；矿油封藏；冷冻真空干燥；液氮超低温保藏第三章 发酵工业培养基设计 要求一 名词解释 培养基，基础培养基，选择培养基，加富培养基，鉴别培养基，斜面培养基，种子培养基，发酵培养基。二 简答题 1. 培养基设计的基本原则 一 名词解释 培养基：人工配制的，能够维持微生物生长繁殖和产物形成的营养物质。工业培养基：提供工业微生物生长繁殖和生物合成各种代谢产物所需要的，按照一定比例配制而成的多种营养物质的混合物生长因子：微生物生长不可缺少的微量有机物质前体：某些化合物加入到发酵培养基，能被微生物在生物合成过程中结合到产物分子中去，其自身结构并无多大变化，产量却因前体的加入有较大提高。大多数前体对微生物的生长有毒性，少量多次加入产物合成促进剂：既不是营养物，又不是前体，是提高产量的添加剂，如酶生产中的诱导物或表面活性剂等。 基础培养基选择培养基加富培养基:也称营养培养基，即在培养基中加入有利于某种微生物生长繁殖所需的营养物质，使这类微生物的增殖速度比其他微生物快，从而使这类微生物能够在混有多种微生物的情况下占优势地位的培养基。鉴别培养基;在培养基中加入某种试剂或化学药品，使培养后会发生某种变化，从而区别不同类型的微生物斜面培养基:固体培养基的一种形式；制作时应趁热定量分装于内，并凝固成斜面的称为斜面培养基，用于菌种扩大转管及菌种保藏。种子培养基:供孢子发芽、和大量繁殖，并使菌体长得粗壮，成为活力强的“”发酵培养基:供菌种生长、繁殖和合成产物之用。它既要使种子接种后能迅速生长，达到一定的菌丝浓度，又要使长好的菌体能迅速合成需产物。二 简答题1. 培养基设计的基本原则 答：目的明确、营养协调、经济节约、物理化学条件适宜 适宜于大规模工业微生物发酵的培养基应具有以下几点共性：单位培养基能够产生最大量的目的产物。能够是目的产物的合成速率最大。能够使副产物的合成量最少所采用的培养基应该质量稳定、价格低廉、易于长期获得所采用的培养基尽量不影响工业好气发酵中的通气搅拌性能以及发酵常务的后期处理 一般设计适宜于工业大规模发酵的培养基应遵循以下原则：必须提供合适微生物细胞和发酵产物的基本成分有利于减少培养基原料的单耗有利于提高产物的浓度，以及提高单位容积发酵罐的生产能力有利于提高产物的合成速度，缩短发酵周期尽量减少副产物的形成，便于产物的分离纯化，并尽可能减少产生“三废”物质原料价格低廉，质量稳定，取材容易所用原料尽可能减少对发酵过程中通气搅拌的影响，利于提高氧的利用率，降低能耗。2.发酵工业培养基的基本要求答：1、提供合成微生物细胞和发酵产物的基本成分2、有利于提高产物的浓度3、提高产物的合成速度4、减少副产物的生成5、提高单位营养物质的转化率6、原料价格便宜7、有利于提高对氧的利用率8、有利于产品的分离纯化，减少三废物质3.水答：1、比热大（1千克每度：4.2×103 焦耳），吸收代谢过程中产生的热量，避免细胞的温度骤然升高；热的良导体，有利于调节菌体温度。2、微生物机体的重要组成成分3、直接参与代谢4、代谢的内部介质,为微生物的生长繁殖和目的产物的合成提供必需的生理环境完全培养基：组成物能满足一般微生物生长繁殖所需要的营养物，可供培养一般微生物，一般由牛肉膏、蛋白胨、琼脂等选择培养基：培养基中加入某些化学药品，抑制不需要的微生物生长，促进需要微生物的生长。一般指含有抑菌剂或杀菌剂的培养基，加入的物质没有营养作用。加富培养基：按照某种微生物营养要求，配制适合这种微生物生长而不适合其他微生物生长的培养基，达到分离这种微生物的目的。培养出来的是营养要求相同的一类微生物鉴别培养基：根据微生物能否利用培养基中的某些成分，依靠指示剂的颜色变化来鉴别不同种类微生物的培养基第四章 发酵工业的无菌技术 要求一 名词解释 灭菌，消毒，除菌，防腐，分批灭菌，连续灭菌。二 简答题 1. 发酵过程污染的危害；2. 发酵过程染菌的检查方法；3. 发酵工业常用的无菌技术；4. 湿热灭菌的原理及优缺点。一 名词解释灭菌：用物理或化学方法杀死或除去环境中所有微生物，包括营养细胞、细菌芽孢和孢子。消毒：用物理或化学方法杀死物料、容器、器皿内外微生物。环境和设备器具等除菌：用过滤方法除去空气或液体中的微生物及其孢子防腐：用物理或方法杀死或抑制微生物的生长和繁殖分批灭菌:将配置好的培养基放入发酵罐或其他装置中，通过蒸汽将培养基和所用设备仪器进行灭菌的操作过程，也称实罐灭菌连续灭菌:将配置好的培养基向发酵罐等培养装置输送的同时进行加热、保温和冷却等灭菌操作过程空罐灭菌：给空置的发酵罐中通入蒸汽，将其和所用设备加热至灭菌温度后维持一定时间，在冷却到接种温度，这一工艺过程称为空罐灭菌。 实罐灭菌：将配制好的培养基放入发酵罐或其他装置中，通入蒸汽将培养基和所用设备加热至灭菌温度后维持一定时间，在冷却到接种温度，这一工艺过程称为实罐灭菌，也叫间歇灭菌。二 简答题1. 发酵过程污染的危害； 答：使发酵培养基因杂菌的消耗而损失，造成生产能力的下降 杂菌合成一些新的代谢产物，或杂菌污染后改变了发酵液的某些理化性质，使 发酵产物的提取和分离变得困难，造成产物收率降低后产品质量下降 杂菌代谢会改变原反应体系的pH，使发酵发生异常 杂菌分解产物，使生产失败 细菌发生噬菌体污染，微生物细胞被裂解，导致整个发酵失败2. 发酵工业常用的无菌技术； 答：干热灭菌法 湿热灭菌法 射线灭菌法 化学药剂灭菌法 过滤除菌法 火焰灭菌法 3. 湿热灭菌的原理及优缺点。 答：湿热灭菌的原理是使微生物的蛋白质及核酸变形导致其死亡。这种变形首先是分子中的氢键分裂，当氢键断裂时，蛋白质及核酸内部结构被破坏，进而丧失了原有功能。蛋白质及核酸的这种变形可以使可逆的，也可以是不可逆的。虽然无所谓动能行结构被破坏，若氢键破裂的数量未达到微生物死亡的临界值，则其分子很可能恢复到它原有的形式，微生物就没有被杀死。为有效地使蛋白质变形，如采用高压蒸汽灭菌时，就需要水蒸气有足够的温度和持续时间，这对灭菌效果十分重要。高温饱和水蒸气可迅速使蛋白质变形，在规定操作条件下，蛋白质发生变形的过程即微生物死亡的过程，是可预见和重复的。微生物的灭活符合一级动力学方程，微生物死亡速率是微生物耐热参数D和杀灭时间的函数。即在给定的时间下被灭活的微生物与仍然存活数成正比。LgNt=lgNo-F(T,Z) /DTNt：t分钟后微生物计数值；No：初始微生物计数值；DT：在T温度下的微生物降低一个对数单位所需要的时间，分钟；F（T，Z）：灭菌程序在确定温度系数Z的T温度的等效灭菌时间。湿热灭菌原理及优缺点蒸汽来源容易，操作费用低，本身无毒； 蒸汽有强的穿透力，灭菌易于彻底； 蒸汽有很大的潜热；操作方便，易管理。4.分批灭菌及优缺点配制好的培养基放入发酵罐和其他装置中，通入蒸汽将培养基和设备一起灭菌的过程。分批灭菌的特点优点:1、设备投资较少2、染菌的危险性较小3、人工操作较方便4、对培养基中固体物质含量较多时更适宜缺点: 1、灭菌过程中蒸汽用量变化大，造成锅炉负荷波动大，一般只限于中小型发酵装置。2、冷却水用量大第五章 发酵工业的种子制备 一 名词解释 接种龄，接种量二 简答题 1. 种子制备过程。一 名词解释种子扩大培养：是指将保存在砂土管、冷冻干燥管中处于休眠状态的工业菌种接入试管斜面活化后，再经过摇瓶及种子罐逐级放大培养而获得一定数量和质量的纯种过程。接种龄:指种子罐中培养的菌丝体开始移入下一级种子罐或发酵罐时的培养时间。通常接种龄是以处于生命力极旺盛的对数生长期，菌体量还未达到最大值时的培养时间较为合适。时间太长，菌种趋于老化，生产能力下降，菌体自溶；种龄太短，造成发酵前期生长缓慢。不同菌种或同一菌种工艺条件不同，种龄是不一样的，一般需经过多种实验来确定。 接种量:指移入的种子液体积和接种后培养液体积的比例。接种量的大小决定于生产菌种在发酵罐中生长繁殖的速度，采用较大的接种量可以缩短发酵罐中菌丝繁殖达到高峰的时间，使产物的形成提前到来，并可减少杂菌的生长机会。但接种量过大或者过小，均会影响发酵。过大会引起溶氧不足，影响产物合成；而且会过多移入代谢废物，也不经济；过小会延长培养时间，降低发酵罐的生产率。倒种:一部分种子来源于种子罐，一部分来源于发酵罐。二 简答题 1.优良菌种的条件：1、菌种细胞的生长活力强，移种至发酵罐后能迅速生长，迟缓期短； 2、生理性状稳定； 3、菌体总量及浓度能满足大容量发酵罐的要求；4、无杂菌污染； 5、 保持稳定的生产能力。2.种子制备过程。答：（1）将砂土管或冷冻干燥管中的种子接种到斜面培养基中进行活化培养。（2）将生长良好的斜面孢子或菌丝转中到扁瓶固体培养基或摇瓶液体培养基中扩大培养，完成实验室种子制备。（3）将扩大培养的孢子或菌丝接种到一级种罐，制备生产用种子。如果需要，可将一级种子再转接到二级种子罐进行扩大培养，完成生产车间种子制备。（4）制备好的种子转种至发酵罐进行培养。3.种子罐级数的确定是指制备种子需逐级扩大培养的次数，取决于： 1、菌种生长特性、孢子发芽及菌体繁殖速度；2、所采用发酵罐的容积。第六章 发酵动力学 一 名词解释发酵动力学，恒化器，恒浊器一 名词解释恒化培养:使培养基中限制性基质的浓度保持恒定.恒浊培养:使培养基中菌体的浓度保持恒定.发酵动力学:研究各种环境因素与微生物代谢活动之间的相互作用随时间变化的规律的科学.发酵动力学：是对微生物生长和产物形成过程的定量描述，研究各种过程之间的动态变量关系，确定发酵动力学参数特征以及各种发酵条件对这些参数的影响，并建立相应的数学模型，实现认识发酵规律、优化工艺、提高产量和效率的目的分批发酵:在一封闭系统内含有初始限量基质的发酵方式。在这一过程中，除了氧气、消泡剂及控制pH的酸或碱外，不再加入任何其它物质。发酵过程中培养基成分减少，微生物得到繁殖。恒化器:连续培养系统，以为培养物的生长速率受到化学环境的控制，即培养基中某一限制性组分的控制作用。恒浊器:通过控制补充的培养基的流速，使得发酵罐内发酵液中细胞浓度保持恒定，即将发酵液的浊度保持在某一窄小的范围内。二简答1.分批发酵过程中微生物的生长规律：延滞期 分裂迟缓、代谢活跃.当细胞接种到新的环境(如从固体培养接种至液体培养基)后，需要适应新的环境。延迟期的长短与菌种的遗传性、菌龄以及移种前后所处的环境条件等因素有关。对数期 细胞代谢活性最强，组成新细胞物质最快，所有分裂形成的新细胞都生活旺盛。这一阶段的突出特点是细菌数以几何级数增加。微生物的生长特性用细胞浓度和细胞数量倍增时间来表示。衰减期 经过一段时间的发酵培养后，由于营养的限制，使微生物生长速率逐渐衰减，即微生物生长进入了衰减期，直到出现微生物净生长速率为零。稳定期 生长速度逐渐趋向零。对数期细菌活跃生长引起周围环境条件条件发生了一系列变化，某些营养物质消耗，有害代谢产物的积累，以及诸如pH、氧化还原电位、温度等的改变，限制了菌体细胞继续以高速度进行生长和分裂。衰亡期 这一阶段的细胞，有的开始自溶，产生或释放出一些产物，如氨基酸、转化酶、外肽酶或抗生素等。菌体细胞也呈现多种形态，有时产生畸形，细胞大小悬殊，有的细胞内多液泡，革兰氏染色反应的阳性菌变成阴性反应等。 2.连续培养及其优缺点培养基料液连续输入发酵罐，并同时放出含有产品的相同体积发酵液，使发酵罐内料液量维持恒定，微生物在近似恒定状态（恒定的基质浓度、恒定的产物浓度、恒定的pH、恒定菌体浓度、恒定的比生长速率）下生长的发酵方式。连续发酵优缺点：优点：1、能维持低基质浓度；2、可以提高设备利用率和单位时间的产量；3、便于自动控制。缺点：1、菌种发生变异的可能性较大；2、要求严格的无菌条件。3.补料分批发酵补料分批发酵又称半连续发酵或流加分批发酵，是指在分批发酵过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基，不排出发酵液，发酵液的体积逐渐增加的发酵方式。补料分批发酵优缺点优点：1、使发酵系统中维持很低的基质浓度，消除分解阻遏作用；2、和连续发酵比、不需要严格的无菌条件；3、不会产生菌种老化和变异等问题；4、降低高浓度培养基的抑制作用并延长发酵时间。缺点：1、存在一定的非生产时间；2、和分批发酵比，中途要流加新鲜培养基，增加了染菌的危险。第七章 发酵工业中氧的供需 一 名词解释 呼吸强度（QO2），耗氧速率（摄氧率）()。二 简答题 1. 氧在微生物发酵中的作用；2. 简述发酵工业无菌氧气的供应过程；3. 简述发酵液中氧的传递过程。一 名词解释呼吸强度（QO2）：指单位质量干菌体在单位时间内所吸取的氧量。耗氧速率（摄氧率）：指单位体积培养液在单位时间内的耗氧量二 简答题1.氧在微生物发酵中的作用对于需氧微生物细胞，必须利用分子态的氧作为呼吸链电子传递系统末端的电子受体，与氢离子结合成水，释放大量能量；2、作为中间体参与生物合成反应。2. 简述发酵工业无菌氧气的供应过程；3. 简述发酵液中氧的传递过程。第八章 发酵过程控制 一 名词解释 生物热，搅拌热，蒸发热，临界氧浓度（C临），泡沫，污染，呼吸商，通气，搅拌器，罐体，挡板，发酵罐，发酵罐夹套，发酵罐盘管，消泡器。二 简答题 1. 温度对发酵的影响及控制；2. pH对发酵的影响及控制；3. 氧对发酵的影响；4. 发酵过程的溶氧变化；5. 影响溶解氧的因素；6. 发酵过程泡沫产生的原因；7. 发酵过程起泡的危害；8. 发酵过程泡沫的形成机制；9. 消泡剂的作用机理；10.发酵过程污染的途径；11.发酵过程防治污染的措施；12. 发酵终点判断放罐的主要指标；13. 发酵罐设计的基本要求；14. 发酵产品产业化三阶段。一 名词解释发酵热：就是发酵过程中释放出来的净热量。 Q发酵=Q生物+Q搅拌+Q通气-Q蒸发-Q辐射生物热：生物热是生产菌在生长繁殖时产生的大量热量。培养基中碳水化合物，脂肪，蛋白质等物质被分解为CO2,NH3和水时释放出的大量能量。搅拌热：通风发酵都有大功率搅拌，搅拌的机械运动造成液体之间，液体与设备之间的摩擦而产生的热 。蒸发热：通入发酵罐的空气，其温度和湿度随季节及控制条件的不同而有所变化。空气进入发酵罐后，就和发酵液广泛接触进行热交换。同时必然会引起水分的蒸发；蒸发所需的热量即为蒸发热。辐射热：由于发酵罐内外温度差，通过罐体向外辐射的热量。临界氧浓度（C临）：指不影响菌体呼吸所允许的最低氧浓度，或微生物对发酵液中溶解氧浓度的最低要求。泡沫：一般来说：泡沫是气体在液体中的粗分散体，属于气液非均相体系;美国道康宁公司对泡沫这样定义：体积密度接近气体，而不接近液体的“气/液”分散体。污染：呼吸商：生物体在同一时间内，释放二氧化碳与吸收氧气的体积之比或，即指呼吸作用所释放的CO2和吸收的O2的分子比。通气：为了供给好氧或兼性好氧生物适量的无菌空气，以满足菌体生长繁殖和积累代谢产物的需要。搅拌器：使液体、气体介质强迫对流并均匀混合的器件罐体：罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料一般为不锈钢。 发酵罐顶设有手孔人孔、 视镜及灯镜。 罐顶上的接管：进料管、补料管、排气管、接种管和压力表接管。 在罐身上的接管：冷却水进出管、进空气管、取样管、温度计管和测控仪表接口挡板：改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体剧烈翻动，增加溶解氧的器件产物浓度 ：在培养过程中，单位体积产物的积累量。呼吸商（RQ）：生物体在同一时间内CO2产生量与O2的消耗量的比值叫做呼吸商(CO2 O2)CO2的释放率(CER)：如果连续测得CO2浓度，可计算出整个发酵过程中 。耗氧速率OUR：发酵过程中菌的耗氧速率OUR发酵罐：发酵罐夹套：发酵罐盘管：消泡器：二 简答题1.温度：是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。从分子运动论观点看，温度是物体分子平均平动动能的标志。温度是大量分子热运动的集体表现，含有统计意义。对于个别分子来说，温度是没有意义的。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。温度对发酵的影响及控制；答：温度对发酵的影响：影响各种酶的反应速率和蛋白质性质影响发酵液的物理性质影响氧的溶解和传递影响对基质的分解和吸收速度影响生物合成的方向控制：抗生素生产中，通过变温培养比恒温培养得到的产物多。 最适温度的选择和控制，可有效的提高产物的产率2.PH值：亦称氢离子浓度指数，是溶液中氢离子活度的一种标度，也就是通常意义上溶液酸碱程度的衡量标准。pH对发酵的影响及控制；答：PH对发酵的影响：pH影响酶的活性pH影响微生物细胞膜所带电荷的状态pH影响培养基某些组分和中间代谢产物的离解pH不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变控制：配制合适的培养基 加入非营养基质的酸碱调节剂 加入基质性的酸碱调节剂 加入生理酸性盐或碱性盐基质 把pH的控制和代谢调节结合，通过补料控制3.氧对发酵的影响；答：大多数发酵过程是好氧的，因此需要供氧。如果考虑呼吸的化学计量，则葡萄糖的氧化可由下式表示： C6H 12O6 十6O26H2O十6CO2 只有当这两种反应物均溶于水后，才对菌体有用。 氧在水中的溶解度比葡萄糖要小约6000倍左右(氧在水中的饱和度，10摄氏度是11.33mg/L) 。 许多发酵的生产能力受到氧利用限制，因此氧成为影响发酵效率的重要因素。4.发酵过程的溶氧变化；答：发酵前期菌丝体大量繁殖，需氧量大于供氧，溶氧出现一个低峰。 在生长阶段，产物合成期，需氧量减少，溶氧稳定，但受补料、加油等条件大影响。 补糖后，摄氧率就会增加，引起溶氧浓度的下降，经过一段时间以后又逐步回升并接近原来的溶解氧浓度。如继续补糖，又会继续下降，甚至引 起生产受到限制。 发酵后期，由于菌体衰老，呼吸减弱，溶氧浓度上升，一旦菌体自溶，溶氧浓度会明显上升。溶氧对发酵的影响：溶氧浓度高于其临界值，可维持菌体的最大比摄氧率，得到最大的菌体合成量。 如果溶氧浓度低于临界值，则菌体代谢受到干扰。发酵工业的目标是要得到发酵产物而非菌体本身。因此，由氧饥饿而引起的细胞代谢干扰，可能对形成某些产物是有利的；因此，某种产物形成的最佳条件可能不同于菌体生长的最佳通气条件。 根据需氧不同，可将初级代谢发酵分为： a. 供氧充足条件下，产量最大；若供氧不足，合成受强烈抑制；如：谷氨酸，精氨酸，脯氨酸等 b.供氧充足条件下，可得最高产量；若供氧受限，产量受影响不明显； 如：异亮氨酸，赖氨酸，苏氨酸等 c.若供氧受限，细胞呼吸受抑制时，才获得最大量产物；若供氧充足，产物形成反而受抑制；如：亮氨酸，缬氨酸，苯丙氨酸等。泡沫的定义：泡沫是气体在液体中的粗分散体，属于气液非均相体系。破泡剂是加到已形成的泡沫中，使泡沫破灭的添加剂。抑泡剂是发泡前预先添加而阻止发泡的添加剂。 5. 影响溶解氧的因素；答：OTR=KLa(C*-CL) 影响推动力的因素：温度 溶质：电解质、非电解质、混合液 溶剂：添加有机溶剂，增加氧的浓度 氧的分压：增加罐压；提高氧分压6.发酵过程泡沫的形成过程：1、气泡大小分布的变化 液膜包裹的一个气泡，就像一个吹鼓了的气球。由于气球膜有收缩力，所以气球中压力大于气球外的压力；同样气泡膜有表面张力，气泡中压力大于气泡外的压力。气泡大小的再分布，就是由气泡膜内气体的压力变化引起的。气泡中气体压力的大小，依赖气泡膜的曲率半径 2、气泡液膜变薄取一杯泡沫，放置一段时间，就会在杯底部出现一些液体，而逐渐形成液相及液面上的泡沫相这样具有界面的两层。底部出现的液体一部分是泡沫破灭形成的，一部分是气泡膜变薄，排出液体形成的。泡沫生成初期，泡沫液还比较厚，以后因蒸发排液而变薄，泡沫液会受重力的影响向下排液，泡沫液随时间延续而变薄。 3、泡沫破灭泡沫由于排液，液量过少，表面张力降低，液膜会急剧变薄，最后液膜会变得十分脆弱，以至分子的热运动都可以引起气泡破裂。因此只要泡沫液变薄到一定程度，泡沫即瞬间破灭。 泡沫层内部的小气泡破灭后，虽一时还不能导致气液分离，只是合并成大气泡，但排液过程使泡膜液量大幅度减少，使合并成的大气泡快速地破灭，最后泡沫体系崩溃，气液分离。7.发酵过程泡沫产生的原因；答：（1）通气搅拌的强烈程度 通气大、搅拌强烈可使泡沫增多，因此在发酵前期由于培养基营养成分消耗少，培养基成分丰富，易起泡。 （2）培养基配比与原料组成 培养基营养丰富，黏度大，产生泡沫多而持久，前期难开搅拌。 （3）菌种、种子质量和接种量 菌种质量好，生长速度快，可溶性氮源较快被利用，泡沫产生几率也就少。 （4）灭菌质量 培养基灭菌质量不好，糖氮被破坏，抑制微生物生长，使种子菌丝自溶，产生大量泡沫，加消泡剂也无效。8. 发酵过程起泡的危害；答：降低生产能力 引起原料浪费 影响菌的呼吸 引起染菌9.发酵过程泡沫的形成机制； 答：第一种情况：表面活性剂的亲水基留在水相，疏水基伸到气相中，形成定向吸附层 第二种情况：表面活性剂的疏水基在水相中互相靠在一起，减少疏水基与水的接触，形成“胶束”。 溶液中当表面活性剂的浓度低于临界胶束浓度时，以第一种情况为主； 表面活性剂浓度高于临界胶束浓度时出现第二种情况。10.消泡剂的作用机理； 答：a、消泡剂可使泡沫液局部表面张力降低，因而导致泡沫破灭 b、消泡剂能破坏膜弹性而导致气泡破灭 C、消泡剂能促使液膜排液，因而导致气泡破灭11.污染：发酵过程中除了生产菌以外，还有其它菌生长繁殖。污染的危害：1、干扰生产菌的正常代谢，降低产量，改变pH，降解某些产物。2、 原材料浪费、动力及人工浪费、设备使用浪费；3、发酵单位降低；4、提取难度加大，过滤困难而大幅度降低过滤收率，有机溶剂萃取时发生乳化；5、产品质量下降；6、增加生产调度的难度，影响职工情绪；7、生产成本增加，生产效率降低；8、影响职工情绪。12.染菌的检查方法：显微镜检查法、平板划线培养检查法、肉汤培养检查法、发酵过程中异常现象观察法13.不同时间染菌对发酵有什么影响，染菌如何控制？ 答：（1）种子培养期染菌：由于接种量较小，生产菌生长一开始不占优势，而且培养液中几乎没有抗生素（产物）或只有很少抗生素（产物）。因而它防御杂菌能力低，容易污染杂菌。如在此阶段染菌，应将培养液全部废弃。 （2）发酵前期染菌：发酵前期最易染菌，且危害最大。 原因 发酵前期菌量不很多，与杂菌没有竞争优势；且还未合成产物（抗生素）或产生很少，抵御杂菌能力弱。 在这个时期要特别警惕以制止染菌的发生。 染菌措施 可以用降低培养温度，调整补料量，用酸碱调pH值，缩短培养周期等措施予以补救。如果前期染菌，且培养基养料消耗不多，可以重新灭菌，补加一些营养，重新接种再用。 （3）发酵中期染菌 ：发酵中期染菌会严重干扰产生菌的代谢。杂菌大量产酸，培养液pH下降；糖、氮消耗快，发酵液发粘，菌丝自溶，产物分泌减少或停止，有时甚至会使已产生的产物分解。有时也会使发酵液发臭，产生大量泡沫。 措施 降温培养，减少补料，密切注意代谢变化情况。如果发酵单位到达一定水平可以提前放罐，或者抗生素生产中可以将高单位的发酵液输送一部分到染菌罐，抑制杂菌。 （4） 发酵后期染菌：发酵后期发酵液内已积累大量的产物，特别是抗生素，对杂菌有一定的抑制或杀灭能力。因此如果染菌不多，对生产影响不大。如果染菌严重，又破坏性较大，可以提前放罐。 发酵染菌后的措施： 染菌后的培养基必须灭菌后才可放下水道。灭菌方法：可通蒸汽灭菌，也可加入过氧乙酸等化学灭菌剂搅拌半小时，才放下水道。否则由于各罐的管道相通，会造成其它罐的染菌，而且直接放下水道也会造成空气的污染而导致其它罐批染菌。 凡染菌的罐要找染菌的原因，对症下药，该罐也要彻底清洗，进行空罐消毒，才可进罐。 染菌厉害时，车间环境要用石灰消毒，空气用甲醛熏蒸。特别，若染噬菌体，空气必须用甲醛蒸汽消毒 通气培养：在微生物培养过程中供给微生物适量的空气，满足菌体生长繁殖和积累代谢产物的需要，这种培养微生物的工艺称为通气培养。14.发酵过程污染的途径；答： 菌种污染 培养基灭菌污染 无菌空气供应系统污染 发酵罐接种污染 设备渗漏 补料污染 发酵前期污染 发酵中期污染 发酵后期污染 管理混乱、操作不当15.发酵过程防治污染的措施；答：防止种子带菌 制备种子时对沙土管及摇瓶严格加以控制。 沙土制备时要多次间歇灭菌。 注意接种时的无菌操作。 子瓶、母瓶的移种和培养。无菌室和摇床间都要保持清洁。无菌室内要供给恒温恒湿的无菌空气，还要装紫外灯用以灭菌，或用化学药品灭菌。 防止设备渗漏 防止培养基灭菌不彻底 培养基灭菌方法高压蒸汽灭菌 分批灭菌 121 ，30分钟 连续灭菌 罐温125130 ，3045分钟 防止空气引起的染菌 发酵染菌后的措施 染菌后的培养基必须灭菌后才可放下水道。 灭菌方法：可通蒸汽灭菌，也可加入。 过氧乙酸等化学灭菌剂搅拌半小时，才放下水道。否则由于各罐的管道相通，会造成其它罐的染菌，而且直接放下水道也会 造成空气的污染而导致其它罐批染菌。凡染菌的罐要找染菌的原因，对症下药，该罐也要彻底清洗，进行空罐消毒，才可进罐。 染菌厉害时，车间环境要用石灰消毒，空气用甲醛熏蒸。特别，若染噬菌体，空气必须用甲醛蒸汽消毒。16. 发酵终点判断放罐的主要指标；答：产物浓度 过滤速度 菌丝形态 氨基氮含量 残糖含量 PH值、DO值17.发酵罐的基本结构：1、罐体部分2、搅拌部分3、消泡部分4、传热部分5、供气部分18.现代发酵工程所用的发酵罐应具备那些特征？ （1）、发酵罐应有适宜的径高比。罐身较长，氧的利用率较高； （2）、发酵罐应能承受一定的压力。因为发酵罐在灭菌和正常工作时，要承受一定的压力（气压和液压）和温度； （3）、发酵罐的搅拌通风装置能使气液充分混合，实现传质传热作用，保证微生物发酵过程中所需的溶解氧； （4）、发酵罐内应尽量减少死角，避免藏污纳垢，保证灭菌彻底，防止染菌； （5）、发酵罐应具有足够的冷却面积； （6）、搅拌器的轴封要严密，以减少泄露。19.发酵罐罐体的组成答：由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢，对于大型发酵罐可用衬不锈钢板或复合不锈钢制成，衬里用的不锈钢板厚为2-3毫米。搅拌器答：作用是打碎气泡，使氧溶解于醪液中，从搅拌程度来说，以平叶涡轮最为激烈，功率消耗也最大，弯叶次之，箭叶最小。搅拌器有平叶式、弯叶式、箭叶式三种。消泡器答：在发酵过程中，将泡沫打破，改善供氧和杂菌污染，把这一类器械称为消泡器。消泡方式有两种：一是加入化学消泡剂消除泡沫，但高浓度的化学消泡剂会对发酵产生抑制作用，故不能添加太多；第二种方式，即机械消泡。机械消泡装置主要有四种。一是锯齿式消泡桨它安装于罐内顶部、高出液面的位置，固定在搅拌轴上，随搅拌轴转动，不断将泡沫打破。二是半封闭式涡轮消泡器，它是由前者发展改进而来，泡沫可直接被涡轮打碎或被涡轮抛出撞击到罐壁而破碎。三是离心式消泡器，它们置于发酵罐的顶部，利用高速旋转产生的离心力将泡沫破碎，液体仍然返回罐内。第四种是刮板式消泡器，它安装于发酵罐的排气口处，泡沫从气液进口进到高速旋转的刮板中，刮板转速为10001450 rpm，泡沫迅速被打碎，由于离心力作用，液体披甩向壳体壁上，返回罐内，气体则由汽孔排出。挡 板：作用是改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。通常挡板宽度取（0.1-0.12）D，装设4-6块即可满足全挡板条件。20. 发酵罐设计的基本要求；答：适宜的径高比 承受一定的压力 破碎气泡并混合良好，保证充足的溶解氧。 良好的循环冷却和加热系统 内壁抛光，较少死角，易于彻底灭菌 轴封严密，避免泄露 能耗低，传递效率高 具有机械消泡装置 安装必要的传感器和补料装置，提高发酵水平。21. 发酵产品产业化三阶段22. 发酵产品的特点23.种子及发酵液进行无菌状况检查常用的检查方法第九章 发酵过程的优化与放大 一 名词解释 直接参数，间接参数，生物相关。二 简述1. 简述发酵过程的优化；2. 简述通用式发酵罐放大设计的基本原则、基本要求及放大准则；3. 简述发酵罐放大方法：经验放大法、时间常数法、几何相似法、非几何放大一 名词解释直接参数：能直接反映发酵过程中微生物代谢